บังเอิญ ! ทฤษฎีควอนตัมอายุ 58 ปีที่ไม่เคยมีใครค้นพบ ถูกไขได้เพราะทำอุปกรณ์พัง

เป็นเวลากว่า 58 ปีมาแล้วครับ นับตั้งแต่ นิโคลาส บลอมเบอร์เกน (Nicolaas Bloembergen) นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลเคยทำนายปรากฏการณ์ทางควอนตัมที่เรียกว่า นิวเคลียร์อิเล็กทริคเรโซเนนส์ (Nuclear Electric Resonance) เอาไว้ว่ามันอาจมีอยู่จริง แต่ตลอดเวลาที่ผ่านมานั้น ไม่เคยมีนักวิทยาศาสตร์คนไหนค้นพบมันเลย จนกระทั่งไม่นานนี้

นิโคลาส บลอมเบอร์เกน นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลผู้เสนอทฤษฎี นิวเคลียร์อิเล็กทริคเรโซเนนส์

หลักฐานของ Nuclear Electric Resonance เพิ่งจะถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจาก มหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์ (University of New South Wales) ถือเป็นการเปิดโลกใหม่ให้กับวงการฟิสิกส์ และยังช่วยให้การพัฒนาควอนตัมคอมพิวเตอร์เดินหน้าไปได้อย่างก้าวกระโดด

หลักการเบื่องต้นของ Nuclear Resonance อธิบายแบบเข้าใจง่ายที่สุดก็คือ ปกติแล้วในปัจจุบันพวกเราสามารถควบคุมการหมุนของนิวเคลียสในอะตอมได้โดยการใช้วิธีเหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็กหรือ นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซเนนส์ (Nuclear Magnetic Resonance) ครับ

แต่ Nuclear Electric Resonance คือแนวคิดที่เราอาจจะสามารถใช้ไฟฟ้าเพื่อควบคุมการหมุนของนิวเคลียสอะตอมได้โดยตรง ซึ่งการควบคุมการหมุนของอะตอมด้วยไฟฟ้าทำให้เราสามารถควบคุมนิวเคลียสของอะตอมได้ในระดับที่ละเอียดย่อยจนเล็กจิ๋วมาก ๆ ได้ จากเดิมที่การควบคุมผ่านการสนามแม่เหล็กไม่ละเอียดมากพอและมีขนาดใหญ่มาก

เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น ลองจินตนาการว่า “นิวเคลียสของอะตอม” คือ “ลูกบิลเลียด” หรือลูกสนุกเกอร์ครับ การควบคุมโดยใช้สนามแม่เหล็กก็เหมือนกับการเขย่าโต๊ะบิลเลียด เพื่อให้ลูกบิลเลียด 1 ลูก เคลื่อนไหวตามที่เราต้องการโดยไม่ทำให้ลูกอื่น ๆ ขยับ แน่นอนว่ามันยากมาก

แต่การใช้ไฟฟ้าควบคุม ก็เหมือนกับการใช้ไม้แทงลูกบิลเลียดที่ต้องการให้เคลื่อนไปตามจุดที่ต้องการ แน่นอนว่ามันง่ายกว่ามาก เล็กกว่ามาก และละเอียดกว่ามาก เพราะไฟฟ้าก็เปรียบเหมือนไม้สนุ๊กนั่นเอง

นั้นหมายความว่า nuclear electric resonance มีประสิทธิภาพมากกว่าและสามารถแทนที่อุปกรณ์ที่ใช้กระบวนการ Nuclear Magnetic Resonance ได้ เช่นการสแกนร่างกายมนุษย์ ธาตุเคมีต่าง ๆ การเรียงตัวของชั้นหิน และอื่น ๆ

เพราะอุปกรณ์ Nuclear Magnetic Resonance มักจะต้องใช้พลังงานสูง ต้องมีคอยล์ขนาดใหญ่โต และใช้พื้นที่เยอะ ถ้าจินตนาการไม่ออกลองนึกเครื่องสแกน fMRI ในโรงพยาบาลดูก็ได้ครับ 1 เครื่องที่เห็นไม่ได้มีแค่ท่อที่เราเข้าไปนอน แต่ตัวเครื่องจริง ๆ มีขนาดพอ ๆ กับห้องใหญ่ ๆ 1 ห้องเลยทีเดียว

ภาพตัวอย่างระดับนาโนของการควบคุมอะตอมด้วยไฟฟ้า

ยิ่งกว่านั้น ที่สำคัญที่สุดกระบวนการ nuclear electric resonance ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเครื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์ได้อีกด้วย

การค้นพบครั้งนี้เกิดขึ้นด้วยความบังเอิญระหว่างการทดลอง Nuclear Magnetic Resonance จากความผิดพลาดของเสา Antenna ที่เสียหายจนทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นมา

และเมื่อนำข้อมูลที่ได้มาใช้ในแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ นักวิจัยก็ค้นพบว่าสนามไฟฟ้ามีอิทธิพลต่อนิวเคลียสในระดับมูลฐาน โดยการบิดเบือนพันธะอะตอมรอบ ๆ และทำให้มันเคลื่อนที่ได้เอง

ทีทนักวิทยาศาสตร์จาก UNSW ผู้ค้นบังเอิญค้นพบปรากฎการณ์นี้

“นี่เปรียบเหมือนกับการเปิดขุมสมบัติแห่งการค้นพบก็ว่าได้ ตอนนี้เรามีทางที่จะสามารถสร้างเครื่องควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่ใช้การหมุนของอะตอมโมเลกุลเดี่ยว โดยไม่จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กในการทำงานอีกแล้ว” อังเดร มอเรลโล (Andrea Morello) นักฟิสิกส์ควอนตัม จาก UNSW กล่าว

สรุป – นักฟิสิกส์บังเอิญค้นพบปรากฏการณ์ nuclear electric resonance หรือการควบคุมนิวเคลียสอะตอมด้วยไฟฟ้า ซึ่งไม่เคยมีใครค้นพบจริง ๆ มาก่อน มีแต่ทฤษฎีที่ถูกเสนอไว้เมื่อ 58 ปีก่อน ซึ่งการค้นพบครั้งนี้อาจนำมาซึ่งการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของเทคโนโลยีควอนตัม โดยเฉพาะควอนตัมคอมพิวเตอร์

Fact – ประวัติศาสตร์ของ อะตอม เริ่มขึ้น 450 ปีก่อนคริสต์ศักราช โดยนักปราชญ์ชื่อว่า ดิมอคริตัส (Democritus) โดยเขาสงสัยว่าเมื่อตัดครึ่งวัตถุออกไปเรื่อย ๆ จนเล็กจิ๋วถึงจุดหนึ่งมันจะตัดไม่ได้อีกแล้ว เขาเรียกอนุเล็กจิ๋วที่ตัดไม่ได้นั้นว่า “Atomos” ซึ่งแปลว่า “ตัดไม่ได้”

อ่านต่อ – “150 ปี ตารางธาตุ” ตารางที่ต้องใช้ตั้งแต่เด็กมัธยมจนถึงศาสตราจารย์